JP2018073478A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムとしては、例えば特許文献1に開示されたものがある。特許文献1の燃料電池システムは、燃料を反応させてアノードガスを生成する改質器と、カソードガスとして空気を供給するブロワと、アノードガスに含有される水素と空気に含有される酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備える。ここで、燃料電池システムにおいては、所定の流量のアノードガスと空気とを、燃料電池におけるアノードガスの流路とカソードガスの流路とに対して安定的に供給する必要がある。
An example of the fuel cell system is disclosed in
しかしながら、燃料電池におけるアノードガスの流路及びカソードガスの流路には、大きな圧力損失が生じる。そのため、十分な流量の空気を供給すべく、ブロワの静圧を大きくする必要がある。そうすると、ブロワにおける仕事が大きくなり、燃料電池システムにおけるシステム効率が低下するという課題がある。また、ブロワの大型化・高コスト化を招き、ひいては燃料電池システムの大型化・高コスト化を招くという課題がある。 However, a large pressure loss occurs in the anode gas passage and the cathode gas passage in the fuel cell. Therefore, it is necessary to increase the static pressure of the blower in order to supply a sufficient flow rate of air. If it does so, the work in a blower will become large and the subject that the system efficiency in a fuel cell system will fall occurs. In addition, there is a problem that the blower is increased in size and cost, and as a result, the fuel cell system is increased in size and cost.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができる燃料電池システムを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of improving system efficiency, reducing size, and reducing costs.
本発明の一態様は、アノード(201)に面するアノード流路(21)と、カソード(202)に面するカソード流路(22)と、を有する燃料電池(2)と、
燃料ガス(G)を上記アノード流路に供給する燃料ブロワ(31)と、
酸化剤ガス(A)を上記カソード流路に供給する酸化剤ブロワ(32)と、
上記アノード流路のアノード入口部(211)と上記燃料ブロワとを接続する流路であって、上記燃料ガスが流れる燃料ガス供給路(41)と、
上記カソード流路のカソード入口部(221)と上記酸化剤ブロワとを接続する流路であって、上記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給路(42)と、
上記アノード流路のアノード出口部(212)から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路(51)と、
上記カソード流路のカソード出口部(222)から排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出路(52)と、
上記アノード出口部又は上記カソード出口部の圧力を下げる減圧器(6)と、を備え、
該減圧器に、上記燃料ガス排出路及び上記酸化剤ガス排出路の少なくとも一方が接続されている、燃料電池システム(1)にある。
One aspect of the invention is a fuel cell (2) having an anode channel (21) facing the anode (201) and a cathode channel (22) facing the cathode (202),
A fuel blower (31) for supplying fuel gas (G) to the anode flow path;
An oxidant blower (32) for supplying an oxidant gas (A) to the cathode channel;
A flow path connecting the anode inlet (211) of the anode flow path and the fuel blower, a fuel gas supply path (41) through which the fuel gas flows;
A channel connecting the cathode inlet part (221) of the cathode channel and the oxidant blower, the oxidant gas supply path (42) through which the oxidant gas flows;
A fuel gas discharge path (51) through which the fuel gas discharged from the anode outlet portion (212) of the anode flow path flows;
An oxidant gas discharge path (52) through which an oxidant gas discharged from the cathode outlet (222) of the cathode flow path flows;
A decompressor (6) for reducing the pressure at the anode outlet or the cathode outlet,
In the fuel cell system (1), at least one of the fuel gas discharge path and the oxidant gas discharge path is connected to the decompressor.
上記燃料電池システムにおいて、減圧器に、燃料ガス排出路及び酸化剤ガス排出路の少なくとも一方が接続されている。これにより、アノード出口部とカソード出口部との少なくとも一方の圧力を十分に低下させることができる。これに伴い、アノード入口部とカソード入口部との少なくとも一方の圧力を十分に低減することができる。その結果、燃料ブロワ及び酸化剤ブロワの静圧を小さくすることができる。それゆえ、燃料ブロワ及び酸化剤ブロワにおける仕事が小さくなり、燃料電池システムにおけるシステム効率を向上することができる。また、燃料ブロワ及び酸化剤ブロワの小型化・低コスト化を図り、ひいては燃料電池システムの小型化・低コスト化を図ることができる。 In the fuel cell system, at least one of a fuel gas discharge path and an oxidant gas discharge path is connected to the decompressor. Thereby, the pressure of at least one of the anode outlet portion and the cathode outlet portion can be sufficiently reduced. Accordingly, the pressure of at least one of the anode inlet and the cathode inlet can be sufficiently reduced. As a result, the static pressure of the fuel blower and the oxidizer blower can be reduced. Therefore, the work in the fuel blower and the oxidant blower is reduced, and the system efficiency in the fuel cell system can be improved. Further, the fuel blower and the oxidizer blower can be reduced in size and cost, and as a result, the fuel cell system can be reduced in size and cost.
以上のごとく、上記態様によれば、システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above aspect, it is possible to provide a fuel cell system capable of improving system efficiency and reducing the size and cost.
In addition, the code | symbol in the parenthesis described in the means to solve a claim and a subject shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later, and limits the technical scope of this invention. It is not a thing.
(実施形態1)
以下に、上述した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システム1は、図1、図2に示すように、燃料電池2と、燃料ブロワ31と、酸化剤ブロワ32と、燃料ガスG1、G2が流れる燃料ガス供給路41と、酸化剤ガスA1、A2が流れる酸化剤ガス供給路42と、燃料ガス排出路51と、酸化剤ガス排出路52と、減圧器6とを備える。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the above-described fuel cell system will be described with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃料電池2は、アノード201に面するアノード流路21と、カソード202に面するカソード流路22とを有する。燃料ブロワ31は、燃料ガスG2をアノード流路21に供給する。酸化剤ブロワ32は、酸化剤ガスA2をカソード流路22に供給する。燃料ガス供給路41は、アノード流路21のアノード入口部211と燃料ブロワ31とを接続する流路である。酸化剤ガス供給路42は、カソード流路22のカソード入口部221と酸化剤ブロワ32とを接続する流路である。燃料ガス排出路51には、アノード流路21のアノード出口部212から排出される燃料ガスG4が流れる。酸化剤ガス排出路52には、カソード流路22のカソード出口部222から排出される酸化剤ガスA4が流れる。減圧器6は、カソード出口部222の圧力を下げるものである。減圧器6に、酸化剤ガス排出路52が接続されている。
The
次に、本形態の燃料電池システム1につき、詳説する。
本形態の燃料電池システム1は、燃料ガスに含有される水素と、酸化剤ガスに含有される酸素とを反応させて発電するために用いられる。なお、本形態においては、酸化剤ガスとして空気を用いている。
Next, the
The
燃料電池2は、図2に示すように、アノード流路21とカソード流路22との間に配設された電解質体23を有している。本形態においては、電解質体23として固体酸化物セラミックスを用いている。それゆえ、本形態の燃料電池2は、固体酸化物型燃料電池(すなわち、SOFC)と称される。
As shown in FIG. 2, the
電解質体23を構成する固体酸化物セラミックスは、イットリア安定化ジルコニアにより構成されている。この固体酸化物セラミックスは、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。電解質体23は、その活性化温度において、酸素イオンの伝導性を有するものである。電解質体23におけるアノード流路21側の表面231には、アノード201が形成されており、電解質体23におけるカソード流路22側の表面232には、カソード202が形成されている。アノード201及びカソード202は、ニッケル等の金属酸化物を含有する導電性のセラミックスにより構成されている。アノード201とカソード202との間には、燃料電池2から電力を取り出すための電池出力線24が接続されている。
The solid oxide ceramic constituting the
燃料ガス供給路41には、燃料ガスG1を改質する改質器11が配置されている。改質器11は、水蒸気改質によって改質前の燃料ガスG1を改質し、水素を含有する燃料ガスG2を生成する。水蒸気改質により水素を発生させるためには、改質器11の内部を高温にする必要がある。それゆえ、本形態においては、改質器11は、後述する燃焼器12から排出される燃焼ガスCと熱交換することによって、改質器11の内部を高温にしている。なお、本形態においては、燃料ガスG1として炭化水素の一種であるメタンを用いている。
A
酸化剤ガス供給路42には、空気A1を予熱する予熱器7が配置されている。予熱器7は、外部からの熱により予熱前の空気A1を、燃料電池2に供給する前に加熱して、高温の空気A2とする。本形態の予熱器7は、空気A1と、燃焼器12から排出される燃焼ガスCとの熱交換によって、空気A1を加熱する熱交換器である。
A
燃料ブロワ31は、羽根車の回転運動によって燃料ガスG1を昇圧し、改質器11によって改質された燃料ガスG2をアノード流路21に供給する。酸化剤ブロワ32は、羽根車の回転運動によって空気A1を昇圧し、予熱器7によって予熱された空気A2をカソード流路22に供給する。
The
アノード流路21に供給された燃料ガスG3に含有される水素及びカソード流路22に供給された空気A3に含有される酸素は、燃料電池2において発電に用いられる。具体的には、空気A3に含有される酸素が、電池出力線24から電子を受け取り酸素イオンとなる。酸素イオンは、電解質体23を介してアノード201に移動し、燃料ガスG3に含有される水素と反応して水と電子とを生成する。この電子が、電池出力線24に移動する。これにより、発電が行われる。発電において生成された水は、アノード流路21において加熱され、水蒸気となることがある。
Hydrogen contained in the fuel gas G3 supplied to the
このように、アノード流路21における燃料ガスG3に含有される水素と、カソード流路22における空気A3に含有される酸素とが反応して発電する。それゆえ、アノード流路21を流れる燃料ガスG3に含有される水素は、アノード流路21において、アノード入口部211からアノード出口部212へ向かうに従い減少する。つまり、燃料ガス排出路51を流れる燃料ガスG4は、燃料ガス供給路41を流れる燃料ガスG2よりも、燃料ガス全体に対する水素の体積比である水素含有率が低い。そして、カソード流路22を流れる空気A3に含有される酸素は、カソード流路22において、カソード入口部221からカソード出口部222に向かうに従い減少する。つまり、酸化剤ガス排出路52を流れる空気A4は、酸化剤ガス供給路42を流れる空気A2よりも、空気全体に対する酸素の体積比である酸素含有率が低い。
In this way, the hydrogen contained in the fuel gas G3 in the
燃料電池2において発電に寄与しなかった水素を含有する燃料ガスG4は、アノード出口部212から排出され、燃料ガス排出路51に流れる。燃料ガスG4には、発電において生成された水又は水蒸気が含まれる。燃料ガス排出路51は、アノード出口部212と燃焼器12とを接続する流路である。燃料電池2において発電に寄与しなかった酸素を含有する空気A4は、カソード出口部222から排出され、酸化剤ガス排出路52に流れる。酸化剤ガス排出路52は、カソード出口部222と減圧器6とを接続する流路である。
The fuel gas G 4 containing hydrogen that has not contributed to power generation in the
本形態において、減圧器6は、駆動流を噴射するノズル部61と、吸引部62と、混合部63と、ディフューザ部64とを有するエジェクタ60である。吸引部62は、ノズル部61から噴射された駆動流によって吸引流を吸引する。混合部63は、駆動流と吸引流とを混合する。ディフューザ部64は、混合部63において混合された駆動流と吸引流とからなる混合流を昇圧する。ノズル部61の上流側に、駆動流を供給する流路である駆動流供給路43が接続されている。吸引部62に、酸化剤ガス排出路52が接続されている。すなわち、カソード出口部222に上流端が接続された酸化剤ガス排出路52が、その下流端において吸引部62に接続されている。
In this embodiment, the
駆動流供給路43は、酸化剤ガス供給路42に接続されている。
駆動流供給路43の上流端は、予熱器7の下流側に接続されている。具体的には、駆動流供給路43は、予熱器7とカソード入口部221との間の酸化剤ガス供給路42から分岐している。この駆動流供給路43の下流端に、ノズル部61の上流端が接続されている。
The drive
The upstream end of the drive
カソード出口部222から排出された空気A4は、酸化剤ガス排出路52を介して吸引部62に到達する。エジェクタ60においては、酸化剤ガス供給路42内を流れる空気A2から分流した空気A21が、駆動流として駆動流供給路43を介してノズル部61に到達する。空気A21がノズル部61において減圧膨張され噴射されるときに、混合部63の圧力が低下する。この圧力低下によって吸引部62から吸引流として、酸化剤ガス排出路52の空気A4が吸引される。次に、駆動流供給路43から流入した空気A21と吸引部62から流入した空気A4とが混合部63において混合される。そして、この混合流である空気A5が、ディフューザ部64において減速・昇圧し、エジェクタ60から排出され、混合流排出路13に流れる。混合流排出路13は、ディフューザ部64と燃焼器12とを接続する流路である。
The air A4 discharged from the
燃料ガス排出路51を通じて排出される燃料ガスG4及び混合流排出路13を通じて排出される空気A5は、燃焼器12に導入される。燃焼器12においては、燃料ガスG4及び空気A5が燃焼し、高温の燃焼ガスCが生成される。燃焼ガスCは、燃焼器12から排出され、燃焼ガス排出路14に流れる。燃焼ガス排出路14の上流端は、燃焼器12に接続されている。燃焼ガス排出路14は、その一部が改質器11及び予熱器7と熱的に接触するように配置されている。それゆえ、燃焼ガスCの熱によって改質器11における燃焼ガスG1が加熱され、予熱器7における空気A1が加熱される。なお、予熱器7は、燃焼ガス排出路14における、改質器11の下流側に配置されている。熱交換された燃焼ガスCは、燃焼ガス排出路14から外部へ排出される。
The fuel gas G4 discharged through the fuel
次に、燃料電池システム1における燃料ガスG1、G2、G3、G4及び空気A1、A2、A21、A3、A4、A5の圧力変動について、図3のグラフを参照して説明する。
図3は、燃料ブロワ31によって供給される燃料ガスG1が、燃料ガスG4としてアノード出口部212から排出されるまでの圧力変動と、酸化剤ブロワ32によって供給される空気A1が、空気A5としてディフューザ部64から排出されるまでの圧力変動とを説明したグラフである。図3のグラフは、縦軸が圧力を示し、横軸が流路位置を示す。
Next, pressure fluctuations of the fuel gases G1, G2, G3, G4 and the air A1, A2, A21, A3, A4, A5 in the
FIG. 3 shows the pressure fluctuation until the fuel gas G1 supplied by the
流路位置L1は、燃料ブロワ31の入口部と、酸化剤ブロワ32の入口部とを示すものである。流路位置L2は、燃料ブロワ31の出口部と、酸化剤ブロワ32の出口部とを示すものである。流路位置L3は、アノード入口部211と、カソード入口部221とを示すものである。流路位置L4は、ノズル部61を示すものである。流路位置L5は、アノード出口部212と、カソード出口部222と、混合部63とを示すものである。流路位置L6は、燃焼器12の入口部を示すものである。
The flow path position L <b> 1 indicates the inlet part of the
まず、燃料ガスG1、G2、G3、G4の圧力変動について説明する。
初めに、燃料ガスG1は、燃料ブロワ31によって昇圧される。ここで、昇圧後の燃料ガスG1の圧力値、すなわち流路位置L2〜L3における燃料ガスGの圧力値を、P11とする。昇圧された燃料ガスG1は、改質器11において燃料ガスG2に改質されたのち、燃料電池2のアノード流路21に供給される。燃料電池2に供給された燃料ガスG3は、アノード入口部211からアノード出口部212へ達する間に圧力が低下する。つまり、アノード出口部212、すなわち流路位置L5における燃料ガスG4の圧力値P12は、アノード入口部211における燃料ガスG2の圧力値P11からアノード流路21内の圧力損失P1を差し引いた大きさとなる。
First, the pressure fluctuations of the fuel gases G1, G2, G3, and G4 will be described.
First, the fuel gas G <b> 1 is boosted by the
次に、空気A1、A2、A3、A4の圧力変動について説明する。
初めに、空気A1は、酸化剤ブロワ32によって昇圧される。ここで、昇圧後の空気A1の圧力値、すなわち流路位置L2〜L3における空気Aの圧力値を、P21とする。昇圧された空気A1は、予熱器7において加熱されたのち、燃料電池2のカソード流路22に供給される。燃料電池2に供給された空気A3は、カソード入口部221からカソード出口部222へ達する間に圧力が低下する。つまり、カソード出口部222、すなわち流路位置L5における空気A4の圧力値P22は、カソード入口部221における空気A2の圧力値P21からカソード流路22内の圧力損失P2を差し引いた大きさとなる。
Next, pressure fluctuations in the air A1, A2, A3, A4 will be described.
First, the air A <b> 1 is pressurized by the
なお、カソード流路22における空気A3の圧力損失P2は、アノード流路21における燃料ガスG3の圧力損失P1よりも大きい。これは、以下の理由による。空気A3における酸素含有率が、燃料ガスG3における水素含有率よりも低い。それゆえ、燃料電池2において必要とされる空気A3の流量は、燃料電池2において必要とされる燃料ガスG3の流量よりも多くなる。そのため、圧力損失P2は、圧力損失P1よりも大きくなる。
The pressure loss P2 of the air A3 in the
そこで、燃料電池2内における空気A3と燃料ガスG3との差圧が全体に渡り大きくなりすぎないようにするために、カソード入口部221における空気A2の圧力値P21を、アノード入口部211における燃料ガスG2の圧力値P11よりも大きくしている。そして、これにより、燃料電池2内において、流路位置L3から流路位置L5までの間に、空気A3の圧力と燃料ガスG3の圧力とが逆転しつつも、アノード出口部212付近における燃料ガスG3とカソード出口部222付近における空気A3との差圧を小さく抑えることができる。
Therefore, in order to prevent the differential pressure between the air A3 and the fuel gas G3 in the
次に、空気A21が、ノズル部61において噴射され、混合部63において空気A4と混合された後、空気A5として排出されるまでの圧力変動について説明する。
ノズル部61、すなわち流路位置L4から噴射される空気A21は、大きく減圧されて混合部63、すなわち流路位置L5に達する。このとき、エジェクタ60内において駆動流としての空気A21に伴い、酸化剤ガス排出路52の空気A4が、吸引流として吸引部62から吸引され減圧される。これにより、カソード出口部222(すなわち、流路位置L5)における空気A4は、大きく減圧される。
Next, the pressure fluctuation until the air A21 is ejected as the air A5 after being injected at the
The air A21 injected from the
この空気A4の圧力値P22は、燃料ガスG4の圧力値P12よりも低い。そして、ディフューザ部64において、空気A5の圧力は、アノード出口部212における燃料ガスG4の圧力値P12と同等の圧力まで上昇する。これにより、燃料ガスG4と空気A5とは、略同等の圧力にて、流路位置L6に達し、燃焼器12に供給される。
The pressure value P22 of the air A4 is lower than the pressure value P12 of the fuel gas G4. In the
本形態の燃料電池システム1による優れた作用効果を説明すべく、次に、比較形態の燃料電池システム9を示す。
(比較形態)
図4に示すように、比較形態に係る燃料電池システム9は、実施形態1の燃料電池システム1と同様に、燃料ブロワ931と、酸化剤ブロワ932と、改質器911と、予熱器97と、燃料電池92と、燃焼器912とを備える。一方、実施形態1の燃料電池システム1におけるエジェクタ60及び駆動流供給路43を、燃料電池システム9は備えていない。それゆえ、燃料電池92のカソード出口部926は、酸化剤ガス排出路952により、直接燃焼器912に接続されている。それゆえ、カソード出口部926における空気A4は、減圧されることなく、燃焼器912に供給される。
Next, a
(Comparison form)
As shown in FIG. 4, the
また、燃料ガス排出路951には、燃料ガス排出路951内を流れる燃料ガスG4の圧力を調整する圧力調整バルブ96が配置されている。この圧力調整バルブ96は、燃料ガス排出路951から排出される燃料ガスG4の圧力を、カソード出口部926における空気A4の圧力と同じ大きさとするものである。具体的には、圧力調整バルブ96の開度を調整して、圧力調整バルブ96の出口部における燃料ガスG4の圧力を、圧力調整バルブ96の入口部における燃料ガスG4の圧力より小さくする。それゆえ、圧力調整バルブ96は、アノード出口部924における燃料ガスG4の圧力を下げるものではない。
Further, a
次に、燃料電池システム9における燃料ガスG1、G2、G3、G4及び空気A1、A2、A3、A4の圧力変動について、図5のグラフを参照して説明する。
図5は、燃料ブロワ931によって供給される燃料ガスG1が、燃料ガスG4として燃焼器912に導入されるまでの圧力変動と、酸化剤ブロワ932によって供給される空気A1が、空気A4として燃焼器912に導入されるまでの圧力変動とを説明したグラフである。図5のグラフは、縦軸が圧力を示し、横軸が流路位置を示す。図5における流路位置L1、L2、L3、L5、L6は、図3における流路位置L1、L2、L3、L5、L6と同様である。
Next, the pressure fluctuations of the fuel gases G1, G2, G3, G4 and the air A1, A2, A3, A4 in the
FIG. 5 shows the pressure fluctuation until the fuel gas G1 supplied by the
まず、空気A1、A2、A3、A4の圧力変動について説明する。
空気A1は、酸化剤ブロワ932において昇圧され、予熱器97を介して燃料電池92に供給された後、カソード流路922内において減圧され、カソード出口部926から排出される。ここで、昇圧後の空気A1の圧力値、すなわち流路位置L2〜L3における空気Aの圧力値を、Pb1とする。また、カソード出口部926、すなわち流路位置L5における空気A4の圧力値Pb2は、カソード入口部925における空気A2の圧力値Pb1からカソード流路922内の圧力損失Pbを差し引いた大きさとなる。
First, the pressure fluctuations of the air A1, A2, A3, A4 will be described.
The air A <b> 1 is pressurized in the
次に、燃料ガスG1、G2、G3、G4の圧力変動について説明する。
燃料ガスG1は、燃料ブロワ931において昇圧され、改質器911を介して燃料電池92に供給された後、アノード流路921内において減圧され、アノード出口部924から排出される。ここで、昇圧後の燃料ガスG1の圧力値、すなわち流路位置L2〜L3における燃料ガスGの圧力値を、Pa1とする。また、アノード出口部924、すなわち流路位置L5における燃料ガスG4の圧力値Pa2は、アノード入口部923における燃料ガスG2の圧力値Pa1からアノード流路921内の圧力損失Paを差し引いた大きさとなる。そして、圧力調整バルブ96によって、燃料ガスG4の圧力は、カソード出口部926における空気A4の圧力値Pb2と同等の圧力まで減少する。これにより、燃料ガスG4と空気A4とは、略同等の圧力にて、流路位置L6に達し、燃焼器912に供給される。
Next, pressure fluctuations of the fuel gases G1, G2, G3, and G4 will be described.
The fuel gas G <b> 1 is boosted in the
なお、実施形態1の燃料電池システム1と同様に、圧力損失Pbは、圧力損失Paよりも大きい。また、カソード入口部925における空気A2の圧力値Pb1を、アノード入口部923における燃料ガスG2の圧力値Pa1よりも大きくしている。
Note that, similarly to the
比較形態において上述したように、アノード流路921及びカソード流路922には、大きな圧力損失Pa、Pbが生じる。そのため、燃料電池システム9においては、十分な流量の燃料ガスG3及び空気A3を供給すべく、燃料ブロワ931及び酸化剤ブロワ932の静圧を大きくする必要があり、システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができない。
As described above in the comparative embodiment, large pressure losses Pa and Pb occur in the
これに対して、実施形態1の燃料電池システム1は、減圧器6に、酸化剤ガス排出路52が接続されている。これにより、カソード出口部222における空気A4の圧力値P22を、比較形態におけるカソード出口部926の空気A4の圧力値Pb2と比較して、十分に低下させることができる。これに伴い、アノード入口部211における燃料ガスG2の圧力値P11と、カソード入口部221における空気A2の圧力値P21とを十分に低減することができる。
On the other hand, in the
具体的には、図3における矢印P3に示すように、カソード入口部221(すなわち、図3における流路位置L3)における空気A2の圧力値P21を、比較形態におけるカソード入口部925(すなわち、図5における流路位置L3)の空気A2の圧力値Pb1よりも低くすることができる。 Specifically, as indicated by an arrow P3 in FIG. 3, the pressure value P21 of the air A2 at the cathode inlet 221 (that is, the flow path position L3 in FIG. 3) is changed to the cathode inlet 925 (that is, the figure) in the comparative form. 5 can be made lower than the pressure value Pb1 of the air A2 at the flow path position L3).
そして、カソード入口部221における空気A2の圧力値が低下したことにより、図3における矢印P4に示すように、アノード入口部211(すなわち、図3における流路位置L3)における燃料ガスG2の圧力値P11を、比較形態におけるアノード入口部923(すなわち、図5における流路位置L3)の燃料ガスG2の圧力値Pa1よりも低くすることができる。すなわち、アノード流路21内の圧力とカソード流路22内の圧力との差圧を所定値以内に収めるために、燃料ガスG2の圧力値もある程度高くする必要があるが、空気A2の圧力値を低く抑えることで、燃料ガスG2の圧力値も低くすることができる。
Then, as the pressure value of the air A2 at the
その結果、燃料ブロワ31及び酸化剤ブロワ32の静圧を小さくすることができる。それゆえ、燃料ブロワ31及び酸化剤ブロワ32における仕事が小さくなり、燃料電池システム1におけるシステム効率を向上することができる。また、燃料ブロワ31及び酸化剤ブロワ32の小型化・低コスト化を図り、ひいては燃料電池システム1の小型化・低コスト化を図ることができる。
As a result, the static pressure of the
また、実施形態1の燃料電池システム1においては、減圧器6として、エジェクタ60を用いている。エジェクタ60は、ポンプ等の減圧器と異なり、外部からエネルギーを供給する必要がない。そのため、燃料電池システム1におけるシステム効率を向上することができる。
In the
また、酸化剤ガス供給路42には、カソード流路22に供給される前の空気A1を予熱する予熱器7が配置されている。それゆえ、燃料電池2の内部温度を効率的に高くすることができる。これにより、燃料電池システム1の始動時において、電解質体23の温度をその活性化温度まで早期に上昇させ、燃料電池システム1におけるシステム効率を向上することができる。
また、駆動流供給路43は、予熱器7の下流側に接続されている。それゆえ、高温の空気A21がエジェクタ60に駆動流として供給されるため、ノズル部61において噴射される空気A21の流速を効果的に高くすることができる。これにより、混合部63の圧力をより低くしてカソード出口部222の圧力を十分に低下させ、燃料電池システム1におけるシステム効率を向上することができる。
A
The drive
以上のごとく、上記態様によれば、システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができる燃料電池システム1を提供することができる。
As described above, according to the above aspect, it is possible to provide the
(実施形態2)
本形態の燃料電池システム1においては、図6に示すように、燃料ガス排出路51及び酸化剤ガス排出路52の双方に、減圧器6が接続されている。
具体的には、エジェクタ60の吸引部62に、燃料ガス排出路51の下流端及び酸化剤ガス排出路52の下流端が接続されている。つまり、燃料電池2のアノード出口部212は、燃料ガス排出路51により、吸引部62に接続されている。
その他の構成は、実施形態1と同様である。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
In the
Specifically, the downstream end of the fuel
Other configurations are the same as those of the first embodiment. Of the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the above-described embodiments represent the same components as those in the above-described embodiments unless otherwise indicated.
本形態の燃料電池システム1においては、アノード出口部212から排出された燃料ガスG4が空気A4と共にエジェクタ60の吸引部62から吸引される。そして、燃料ガスG4と空気A4とは、エジェクタ60の混合部63において空気A21と混合される。この混合流GA5が、混合流排出路13を通じて燃焼器12に導入される。
In the
燃料電池システム1における燃料ガスG1、G2、G3、G4、空気A1、A2、A21、A3、A4及び混合流GA5の圧力変動を、図7のグラフに示す。図7における流路位置L1、L2、L3、L4、L5、L6は、図3における流路位置L1、L2、L3、L4、L5、L6と同様である。
The graph of FIG. 7 shows pressure fluctuations of the fuel gases G1, G2, G3, G4, air A1, A2, A21, A3, A4 and the mixed flow GA5 in the
空気A1、A2、A3、A4の圧力変動は、概略、実施形態1と同様である。一方、燃料ガスG1、G2、G3、G4の圧力変動も、概略、実施形態1と同様であるが、アノード出口部212、すなわち流路位置L5における燃料ガスG4の圧力が空気A4と同じとなる点において、実施形態1と異なる。すなわち、上述のように、燃料ガスG4は、空気A4と共にエジェクタ60の吸引部62から吸引されて合流するため、同じ圧力値P32となる。
The pressure fluctuations of the air A1, A2, A3, and A4 are roughly the same as those in the first embodiment. On the other hand, the pressure fluctuations of the fuel gases G1, G2, G3, and G4 are also substantially the same as in the first embodiment, but the pressure of the fuel gas G4 at the
このように、本形態の燃料電池システム1においては、減圧器6に、燃料ガス排出路51が、酸化剤ガス排出路52と共に接続されている。これにより、アノード出口部212における燃料ガスG4の圧力値P32を、実施形態1におけるアノード出口部212の燃料ガスG4の圧力値P12と比較して、十分に低下させることができる。これに伴い、アノード入口部211における燃料ガスG2の圧力値P31を十分に低減することができる。具体的には、図7における矢印P5に示すように、アノード入口部211(すなわち、図7における流路位置L3)における燃料ガスG2の圧力値P31を、実施形態1におけるアノード入口部211(すなわち、図3における流路位置L3)の燃料ガスG2の圧力値P11よりも低くすることができる。
Thus, in the
その結果、実施形態1と比較して、燃料ブロワ31の静圧をより小さくすることができる。それゆえ、燃料ブロワ31における仕事がより小さくなり、燃料電池システム1におけるシステム効率を更に向上することができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。
As a result, the static pressure of the
In addition, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
(実施形態3)
本形態の燃料電池システム1においては、図8に示すように、燃料ガス排出路51と酸化剤ガス排出路52との双方に、それぞれ個別の減圧器6が接続されている。
すなわち、減圧器6として、燃料ガス排出路51が接続されているアノード側減圧器6aと、酸化剤ガス排出路52が接続されているカソード側減圧器6cとを有する。アノード側減圧器6a及びカソード側減圧器6cは、エジェクタ60によって構成されている。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
(Embodiment 3)
In the
That is, the
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
本形態の燃料電池システム1においては、燃料ガス供給路41内を流れる燃料ガスG2から分流した燃料ガスG21が、駆動流として駆動流供給路44を介してエジェクタ60のノズル部61に到達し、噴射される。これにより、アノード出口部212から排出された燃料ガスG4がエジェクタ60の吸引部62から吸引される。そして、燃料ガスG4は、エジェクタ60の混合部63において、燃料ガスG21と混合される。この混合流G5が、混合流排出路130を通じて燃焼器12に導入される。
本形態においても、実施形態2と同様の作用効果を得ることができる。
In the
Also in this embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
(実施形態4)
本形態の燃料電池システム1においては、図9に示すように、酸化剤ガス供給路42には、酸化剤ガスA1を冷却する冷却器70が配置されている。駆動流供給路43は、冷却器70の上流側において、酸化剤ガス供給路42に接続されている。
具体的には、駆動流供給路43は、酸化剤ブロワ32と冷却器70との間の酸化剤ガス供給路42から分岐している。駆動流供給路43には、酸化剤ガス供給路42内を流れる空気A1の一部である空気A11が流れる。
(Embodiment 4)
In the
Specifically, the drive
本形態においては、燃料電池2として、例えば固体高分子型燃料電池(すなわち、PEFC)を用いることができる。PEFCは、電解質体23として固体高分子電解質膜を用いている。電解質体23を構成する固体高分子電解質膜は、フッ素樹脂により構成されている。電解質体23は、その膜中に水分が含有されることにより、水素イオンの伝導性を有するものである。それゆえ、本形態の燃料電池2の内部温度は、例えば80〜100℃に設定される。本形態のアノード及びカソードは、白金を触媒として含有している。
In this embodiment, as the
次に、本形態の燃料電池2における発電について説明する。
アノード流路21に供給された燃料ガスG3に含有される水素が、アノードにおいて水素イオンと電子とに分離される。この電子は、電池出力線に移動する。これにより、発電が行われる。一方、水素イオンは、電解質体23を介してカソードに移動し、カソード流路22に供給された空気A3に含有される酸素及び電池出力線から受け取った電子と反応して水を生成する。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
Next, power generation in the
Hydrogen contained in the fuel gas G3 supplied to the
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
本形態の燃料電池システム1においては、酸化剤ガス供給路42に冷却器70が配置されている。それゆえ、冷却器70において冷却された空気A2をカソード流路22に供給することにより、燃料電池2の内部温度の上昇を抑制することができる。これにより、電解質体23に含有される水分の蒸発を抑制し、燃料電池システム1におけるシステム効率を向上することができる。
In the
また、駆動流供給路43は、冷却器70の上流側に接続されている。それゆえ、冷却器70によって圧力低下していない空気A11がエジェクタ60に駆動流として供給されるため、ノズル部61において噴射される空気A11の流速の低下を回避することができる。これにより、混合部63の圧力を低くしてカソード出口部222の圧力を十分に低下させ、燃料電池システム1におけるシステム効率を維持することができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。
Further, the drive
In addition, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
(実施形態5)
本形態の燃料電池システム1においては、図10に示すように、駆動流供給路43には、駆動流の流量を調整する流量調整器が配置されている。流量調整器として、本形態においては、可変オリフィス81を用いている。
また、燃料電池システム1は、アノード流路21内の圧力とカソード流路22内の圧力との差圧を検出する差圧検出器82を更に備える。流量調整器としての可変オリフィス81は、差圧検出器82によって検出された差圧に応じて駆動流の流量を調整することができるよう構成されている。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
(Embodiment 5)
In the
The
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
可変オリフィス81は、その開度を調整することにより、エジェクタ60へ供給する駆動流の流量を調整することができる。これにより、エジェクタ60の吸引力を調整して、カソード出口部222の圧力を調整することができる。
また、可変オリフィス81の開度を調整することにより、カソード流路22に導入される空気A3の流量を調整することができる。すなわち、可変オリフィス81の開度を調整することにより、エジェクタ60によるカソード出口部222の減圧の調整とともに、カソード流路22に供給される空気A3の流量調整によるカソード流路22内の圧力調整を行うこともできる。
The
Further, by adjusting the opening of the
具体的には、可変オリフィス81の開度を小さくすると、エジェクタ60の駆動流の流量が少なくなり、カソード流路22を流れる空気A3の流量が多くなる。これにより、カソード流路22内の圧力が上昇する。また、可変オリフィス81の開度を大きくすると、エジェクタ60の駆動流の流量が多くなり、カソード流路22を流れる空気A3の流量が少なくなる。これにより、カソード流路22内の圧力が低下する。
Specifically, when the opening of the
差圧検出器82は、例えばカソード流路22内の圧力値とアノード流路21内の圧力値とを検出し、これらの圧力値の差を差圧として検出する。具体的には、例えば、差圧検出器82は、アノード入口部211付近における燃料ガスG3の圧力を検出し、カソード入口部221付近における空気A3の圧力を検出する。そして、これらの圧力を基に、アノード流路21の中央部における圧力と、カソード流路22の中央部における圧力とをそれぞれ求める。そして、これらの圧力の差を、アノード流路21とカソード流路22との差圧として出力する。
The
本形態の燃料電池システム1においては、例えばエジェクタ60の経年劣化等にも対応することができる。すなわち、エジェクタ60の吸引力が低下しても、可変オリフィス81を調整して、駆動流である空気A21の流量を大きくすることにより、吸引部62からの吸引力を確保することができる。これにより、エジェクタ60が多少経年変化しても、カソード出口部222の圧力を低く維持することができる。これにより、燃料電池システム1におけるシステム効率を維持することができる。
In the
また、可変オリフィス81は、差圧検出器82によって検出された差圧に応じて駆動流である空気A21の流量を調整する。これにより、アノード流路21とカソード流路22との差圧を、容易かつ正確に、所定値以内に収めることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。
なお、流量調整器として、可変オリフィス以外を用いることもできる。
The
In addition, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
It should be noted that a flow orifice other than the variable orifice can be used.
(実施形態6)
本形態の燃料電池システム1においては、図11に示すように、エジェクタ60のノズル61に駆動流を供給する駆動流供給路43を、酸化剤ガス供給路42とは別経路としている。
すなわち、実施形態1のように酸化剤ガス供給路42から駆動流供給路43を分岐させるのではなく、本形態においては、例えば、大気中の空気を、酸化剤ガス供給路42とは別経路にて駆動流としてエジェクタ60に導入するように、駆動流供給路43を設けている。
(Embodiment 6)
In the
That is, the driving
そして、駆動流供給路43には、駆動流供給ブロワ15が接続されている。これにより、駆動流供給ブロワ15は、大気中の空気A6を昇圧して、駆動流供給路43からエジェクタ60のノズル部61に供給する。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
A drive
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
本形態の燃料電池システム1においては、カソード流路22における空気A3の流量に影響を与えることなく、エジェクタ60の駆動流を調整することができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。
In the
In addition, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
(実施形態7)
本形態の燃料電池システム1においては、図12に示すように、実施形態3の燃料電池システム1(図8参照)の変形形態であり、2つの駆動流供給路43、44の何れをも、燃料ガス供給路41及び酸化剤ガス供給路42とは別経路としている。
(Embodiment 7)
In the
すなわち、カソード側減圧器6cとしてのエジェクタ60に接続された駆動流供給路43は、実施形態6の燃料電池システム1(図11参照)と同様の構成となっている。
また、アノード側減圧器6aとしてのエジェクタ60に接続された駆動流供給路44にも、同様に、駆動流供給ブロワ15を設けている。そして、例えば、大気中の空気A7を昇圧して、駆動流供給路44からエジェクタ60に供給する。この場合、実施形態3とは異なり、アノード側減圧器6aとしてのエジェクタ60のノズル部61に供給される駆動流は、空気となる。
その他の構成は、実施形態3と同様である。
That is, the drive
Similarly, a drive
Other configurations are the same as those of the third embodiment.
本形態の燃料電池システム1においては、実施形態3と同様の作用効果と実施形態6と同様の作用効果とを得ることができる。
In the
(実施形態8)
本形態の燃料電池システム1においては、図13に示すように、減圧器6として、ブロワ65を用いている。
具体的には、酸化剤ガス排出路52にブロワ65を設けている。これにより、ブロワ65が、燃料電池2のカソード出口部222から排出される空気A4を強制的に燃焼器12へ送る。これに伴い、カソード出口部222の圧力が下がる。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
(Embodiment 8)
In the
Specifically, a
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
本形態の燃料電池システム1においては、ブロワ65によって、カソード出口部222の圧力を十分に低下させることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。ただし、実施形態1においては、減圧器6としてブロワではなく、エジェクタ60を用いているため、本形態よりも実施形態1の方が、システム効率を向上させ易い。
なお、本形態において、ブロワ65に代えてポンプを減圧器6として用いてもよい。
In the
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained. However, in the first embodiment, since the
In this embodiment, a pump may be used as the
(実施形態9)
本形態の燃料電池システム1においては、図14に示すように、燃料ガス排出路51及び酸化剤ガス排出路52の双方に、減圧器6であるブロワ65が接続されている。
その他の構成は、実施形態8と同様である。
(Embodiment 9)
In the
Other configurations are the same as those of the eighth embodiment.
本形態の燃料電池システム1においては、実施形態2(図6、図7参照)と同様に、アノード出口部212における燃料ガスG4の圧力値を、充分に低くすることができ、燃料電池システム1におけるシステム効率を向上することができる。
その他、実施形態8と同様の作用効果を得ることができる。
In the
In addition, the same effects as those of the eighth embodiment can be obtained.
(実施形態10)
本形態の燃料電池システム1においては、図15に示すように、燃料ガス排出路51と酸化剤ガス排出路52との双方に、それぞれ個別に、減圧器6としてのブロワ65が接続されている。
その他の構成は、実施形態8と同様である。
(Embodiment 10)
In the
Other configurations are the same as those of the eighth embodiment.
本形態の燃料電池システム1においては、実施形態9(図14参照)と同様に、アノード出口部212における燃料ガスG4の圧力値を、充分に低くすることができ、燃料電池システム1におけるシステム効率を向上することができる。また、実施形態9とは異なり、アノード出口部212の圧力を、カソード出口部222の圧力とは独立して調整することもできる。
その他、実施形態8と同様の作用効果を得ることができる。
In the
In addition, the same effects as those of the eighth embodiment can be obtained.
(実施形態11)
本形態の燃料電池システム1においては、図16に示すように、燃料ガス排出路51と酸化剤ガス排出路52との双方に、それぞれ別種類の減圧器6が接続されている。
すなわち、燃料ガス排出路51に接続されているアノード側減圧器6aとして、ブロワ65を用い、酸化剤ガス排出路52に接続されているカソード側減圧器6cとして、エジェクタ60を用いている。
(Embodiment 11)
In the
That is, the
換言すると、実施形態1の燃料電池システム1を基本構成として、燃料ガス排出路51にブロワ65をアノード側減圧器6aとして配設したのが、本形態の燃料電池システム1である。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
本形態においては、実施形態2と同様の作用効果を得ることができる。
なお、アノード側減圧器6aとカソード側減圧器6cとの組み合わせは、特に限定されるものではない。すなわち、アノード側減圧器6aとカソード側減圧器6cとの組み合わせとしては、実施形態11に示したものとは逆としてもよいし、例えば、エジェクタとポンプとの組み合わせ、或いは、ブロワとポンプとを組み合わせとすることもできる。
In other words, the
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
In this embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
In addition, the combination of the
(実施形態12)
本形態の燃料電池システム1においては、図17に示すように、減圧器6として、凝縮性ガスを凝縮する凝縮器66を用いている。
具体的には、酸化剤ガス排出路52に凝縮器66が接続されている。これにより、カソード出口部222から排出された空気A4を凝縮することで、空気A4の圧力を低下させる。
In the
Specifically, a
本形態においては、燃料電池2として、例えばりん酸型燃料電池(すなわち、PAFC)を用いることができる。PAFCにおける電解質は、リン酸水溶液からなり、水素イオンの伝導性を有するものである。それゆえ、本形態の燃料電池2の内部温度は、例えば150〜200℃に設定される。本形態の燃料電池システム1において、アノード及びカソードは、白金を触媒として含有している。
In this embodiment, as the
本形態において、燃料電池2における発電原理は、実施形態4において説明した燃料電池2(すなわちPEFC)の発電原理と略同様である。しかし、本形態における燃料電池2の内部温度は、上述した実施形態4における燃料電池2の内部温度よりも高く、上述のように例えば150〜200℃となる。それゆえ、本形態の燃料電池2における発電において生成された水は、カソード流路22において加熱され、水蒸気となることがある。凝縮器66は、上述した空気A4に含有される水蒸気の凝縮によってカソード出口部222における空気A4を減圧し、カソード出口部222の圧力を下げるものである。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
In this embodiment, the power generation principle of the
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
本形態においても、実施形態8と同様の作用効果を得ることができる。
なお、燃料電池2の種類、燃料ガスの種類、酸化剤ガスの種類等によっては、燃料ガス排出路51に凝縮器66を配置する構成としてもよいし、燃料ガス排出路51と酸化剤ガス排出路52との双方にそれぞれ凝縮器66を配置する構成としてもよい。
Also in this embodiment, the same effect as that of the eighth embodiment can be obtained.
Depending on the type of
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態1において、燃料電池2としてSOFCを用いた実施形態を示したが、これに代えて、PEFC、PAFC又は溶融炭酸塩型燃料電池(すなわち、MCFC)等を用いてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the scope of the invention. For example, in the first embodiment, the embodiment using the SOFC as the
1 燃料電池システム
2 燃料電池
31 燃料ブロワ
32 酸化剤ブロワ
41 燃料ガス供給路
42 酸化剤ガス供給路
51 燃料ガス排出路
52 酸化剤ガス排出路
6 減圧器
DESCRIPTION OF
Claims (12)
燃料ガス(G)を上記アノード流路に供給する燃料ブロワ(31)と、
酸化剤ガス(A)を上記カソード流路に供給する酸化剤ブロワ(32)と、
上記アノード流路のアノード入口部(211)と上記燃料ブロワとを接続する流路であって、上記燃料ガスが流れる燃料ガス供給路(41)と、
上記カソード流路のカソード入口部(221)と上記酸化剤ブロワとを接続する流路であって、上記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給路(42)と、
上記アノード流路のアノード出口部(212)から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路(51)と、
上記カソード流路のカソード出口部(222)から排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出路(52)と、
上記アノード出口部又は上記カソード出口部の圧力を下げる減圧器(6)と、を備え、
該減圧器に、上記燃料ガス排出路及び上記酸化剤ガス排出路の少なくとも一方が接続されている、燃料電池システム(1)。 A fuel cell (2) having an anode channel (21) facing the anode (201) and a cathode channel (22) facing the cathode (202);
A fuel blower (31) for supplying fuel gas (G) to the anode flow path;
An oxidant blower (32) for supplying an oxidant gas (A) to the cathode channel;
A flow path connecting the anode inlet (211) of the anode flow path and the fuel blower, a fuel gas supply path (41) through which the fuel gas flows;
A channel connecting the cathode inlet part (221) of the cathode channel and the oxidant blower, the oxidant gas supply path (42) through which the oxidant gas flows;
A fuel gas discharge path (51) through which the fuel gas discharged from the anode outlet portion (212) of the anode flow path flows;
An oxidant gas discharge path (52) through which an oxidant gas discharged from the cathode outlet (222) of the cathode flow path flows;
A decompressor (6) for reducing the pressure at the anode outlet or the cathode outlet,
A fuel cell system (1), wherein at least one of the fuel gas discharge path and the oxidant gas discharge path is connected to the decompressor.
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